DE10344983B3

DE10344983B3 - Verfahren zum Laden eines aktiv abgeschirmten supraleitenden NMR-Magneten

Info

Publication number: DE10344983B3
Application number: DE10344983A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Dipl-Phys. Frantz
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2003-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2023-09-28
Also published as: GB2407871A; US6987436B2; GB2407871B; US20050068033A1; GB0421212D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer aktiv abgeschirmten Magnetspulenanordnung (20), die einen ersten Teilbereich (21) umfasst, der mittels eines Zusatzschalters (23) supraleitend kurzschließbar ist, und mit einem zweiten Teilbereich (22), wobei die beiden Teilbereiche (21, 22) Dipolmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen erzeugen. Das magnetische Streufeld B* wird nahe dem angestrebten Betriebszustand der Anordnung (20) vermessen, und für die beiden Teilbereiche (21, 22) werden jeweils Betriebsströme bestimmt, bei denen das Gesamtmagnetfeld B frei von einem durch Fertigungsschwankungen bedingten Zusatzdipolmoment ist, wodurch das theoretisch optimale Streufeld unabhängig von Fertigungsschwankungen eingestellt werden kann. Diese Betriebsströme werden unter Berücksichtigung der induktiven Kopplung der Teilbereiche (21, 22) durch Laden zunächst der gesamten Anordnung (20) und nach Schließen des Zusatzschalters (23) durch Fortsetzung des Ladevorgangs nur im zweiten Teilbereich (22) eingestellt. Dadurch können fertigungsbedingte Abweichungen vom optimalen, theoretischen Streufeld der Anordnung (20) auf einfache und kostengünstige Weise eliminiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer im Betrieb über einen supraleitenden Hauptschalter supraleitend kurzgeschlossenen aktiv abgeschirmten Magnetspulenanordnung, wobei die Magnetspulenanordnung mindestens einen ersten und einen zweiten Teilbereich umfasst, wobei zumindest der erste Teilbereich separat über einen supraleitenden Zusatzschalter supraleitend kurzgeschlossen werden kann, und wobei die beiden Teilbereiche im Betrieb Magnetfelder erzeugen, deren magnetische Dipolmomente D⁽¹⁾ und D⁽²⁾ entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.

Aus der JP 01-081 207 A ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer schnellen Magnetfeldänderung unter Vermeidung eines instabilen Übergangszustands bekannt, bei der eine erste und eine zweite Magnetfeldspule über einen supraleitenden Hauptschalter supraleitend kurzgeschlossen werden. Die erste Magnetfeldspule kann zusätzlich separat über einen supraleitenden Zusatzschalter supraleitend kurzgeschlossen werden.

Hintergrund der Erfindung

Aktiv abgeschirmte Magnete besitzen außerhalb der Magnetspulenanordnung ein deutlich reduziertes magnetisches Streufeld, d.h. die Feldstärke nimmt mit wachsendem Abstand vom magnetischen Zentrum des Magneten deutlich stärker ab, als für einen unabgeschirmten Magneten gleicher Feldstärke. Dieses reduzierte Streufeld bietet dem Anwender folgende wesentliche Vorteile:

1. Aus sicherheitsrelevanten Gründen müssen magnetische Streufelder ab einer bestimmten Größe (5 Gauss = 0.5 mT) innerhalb eines für die Öffentlichkeit unzugänglichen Raumbereichs eingegrenzt bleiben. Abgeschirmte Magnete reduzieren diesen Raumbereich deutlich.
2. Oftmals werden in einem Labor neben der NMR auch andere Messmethoden verwendet, die empfindlich auf Magnetfelder reagieren (z.B. die Massenspektroskopie). Die Kombination unterschiedlicher Messmethoden auf engem Raum wird u. U. nur durch Verwendung abgeschirmter Magnete möglich.
3. Die Anzahl der NMR-Magnete innerhalb eines Labors kann durch die Verwendung abgeschirmter Magnete deutlich erhöht werden.

Die Gebäudeplanung und Raumausnutzung ist damit für aktiv abgeschirmte Magnete im Vergleich zu den Magneten ohne Abschirmung ungleich einfacher und effektiver. Oftmals kann ein Magnet mit einer bestimmten Feldstärke nur dann in einem bestimmten Raum eingesetzt werden, wenn das Streufeld aktiv abgeschirmt ist.

Wesentlich ist jedoch die Einhaltung der Streufeldspezifikation für jeden Magneten, unabhängig von den Fertigungsschwankungen bei der Herstellung des Magneten und der supraleitenden Drähte. Schwankungen in den Abmessungen der supraleitenden Drähte ändern beispielsweise die Stromdichte in den Magnetspulen. Diese Toleranzen können das Streufeld direkt und indirekt beeinflussen. Direkt, indem die Feldanteile des abschirmenden Magnetbereichs und des Restmagneten aufgrund der Toleranzen nicht mit den optimalen, theoretischen Werten übereinstimmen, was die Streufeldkompensation verschlechtert. Indirekt, indem aufgrund der Fertigungstoleranzen Feldinhomogenitäten am Ort der NMR-Probe entstehen (also im Magnetzentrum), zu deren Korrektur sogenannte Kryoshims eingesetzt werden, die ihrerseits ein Streufeld erzeugen, das demjenigen des Magneten überlagert wird. Beide Einflüsse sind im Wesentlichen durch Fertigungstoleranzen bedingt und damit für jedes Magnetsystem verschieden. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen könnten die spezifizierten Streufeld-Abstände der Magnete soweit erhöht werden, dass die zulässigen Werte trotz aller Fertigungstoleranzen nicht überschritten werden. Charakteristische Abstände sind beispielsweise die radialen und axialen Abstände der 5-Gauss-Linie vom magnetischen Zentrum der Spulenanordnung. Dieses Vorgehen hat natürlich den großen Nachteil, dass man die theoretisch mögliche Streufeldreduktion des Magneten nicht nutzt. Eine sehr einfache und elegante Methode, die es ermöglicht, das theoretische Potenzial der Streufeldreduktion zu nutzen, wird in diesem Patent vorgestellt. Die Methode ermöglicht eine Kompensation des Streufelds während des Ladens und die Korrektur kann an jeden einzelnen Magneten angepasst werden.

Formale Beschreibung der aktiven Abschirmung:

Der magnetische Fernfeldbereich einer beliebigen Magnetanordnung hat immer Dipolcharakter, wenn er nur einen genügend großen Abstand zum magnetischen Zentrum besitzt. Dominiert wird dieses Fernfeld durch den Dipolterm der Multipolentwicklung des Magnetfelds. Um das Streufeld bzw. Fernfeld eines Magneten zu reduzieren, muss also das Dipolmoment der Magnetanordnung weitestgehend eliminiert werden. Hierzu wird eine unabgeschirmte Hauptmagnetspule um eine in Serie geschaltete Abschirmsektion mit entgegengesetztem Wickelsinn erweitert. Für ein optimiertes, d.h. minimiertes Streufeld müssen die Dipolmomente (D,[D] = A·m²) der Abschirmsektion (A) und der Hauptmagnetspule (H) in etwa entgegengesetzt gleich groß sein, es muss also gelten: DA + DH ≅ 0.

Für diesen Fall wird das Streufeld im Wesentlichen durch die Terme höherer Ordnung bestimmt. Das Dipolmoment einer Magnetspule kann als Produkt aus einer reinen Geometriegröße und dem Spulenstrom beschrieben werden. Die von der Magnetgeometrie abhängige Größe wird im Folgenden als Dipolmomentenhub d (d=ΔD/ΔI, [d]=[D/I]=m²) bezeichnet. Damit lässt sich das Dipolmoment der mit einem Strom I_Magnet durchflossenen Magnetspulenanordnung folgendermaßen darstellen: D = (dA + dH)·IMagnet

Der Dipolmomentenhub wird so definiert, dass er den Wickelsinn der Magnetspule enthält und damit auch negativ sein kann.

Ein Zusatzdipolmoment (D*) einer theoretisch streufeldoptimierten, aktiv abgeschirmten Magnetspulenanordnung resultiert beispielsweise aus einer – durch Fertigungsschwankungen bedingten – Abweichung des Dipolmomentenhubs vom theoretischen Wert. Wie bereits erwähnt kann es aber auch durch das Laden der Kryoshims zur Beeinflussung des Streufeldverlaufs kommen. Diesem Fehler kann formal ebenfalls ein effektiver Dipolmomentenhub der Gesamtanordnung (Magnetspulen + Kryo-Shimsystem) zugeordnet werden, weshalb im weiteren Verlauf nicht mehr zwischen den beiden Ursachen unterschieden, wird.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das fertigungsbedingte und für jeden Magneten individuelle Zusatzdipolmoment während des Magnetladens so weit zu kompensieren, dass das theoretisch erzielbare, minimale Streufeld auch im Betrieb erreicht werden kann. Damit kann der Streufeldbereich enger spezifiziert werden, wodurch sich die Gebäudeplanung und Raumausnutzung für die NMR Magnete deutlich vereinfacht bzw. deren Verwendung in räumlich begrenzter Umgebung überhaupt erst möglich wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die oben beschriebene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer im Betrieb über einen supraleitenden Hauptschalter supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspulenanordnung, die im Zentrum der Magnetspulenanordnung ein in einer z-Richtung verlaufendes, homogenes und zeitlich stabiles Magnetfeld B und außerhalb des Magneten ein zeitlich stabiles magnetisches Streufeld erzeugt, wobei die Magnetspulenanordnung mindestens einen ersten und einen zweiten Teilbereich umfasst, wobei zumindest der erste Teilbereich separat über einen supraleitenden Zusatzschalter supraleitend kurzgeschlossen werden kann, und wobei die beiden Teilbereiche im Betrieb Magnetfelder erzeugen, deren magnetische Dipolmomente D⁽¹⁾ und D⁽²⁾ entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten:

(a) Laden der Magnetspulenanordnung bei geöffnetem Hauptschalter und geöffnetem Zusatzschalter mittels eines Netzgerätes auf einen ersten Stromstärkewert I₁;
(b) Messen des Streufelds B* beispielsweise beim Radius der theoretischen, radialen 5-Gauss-Linie auf Höhe des magnetischen Zentrums (z=0 cm) der Magnetspulenanordnung und Berechnung der Differenz ΔB* aus theoretischem und gemessenem Magnetfeldwert;
(c) Berechnen des Zusatzdipolmoments D* zu der in Schritt (b) gemessenen Streufeldabweichung ΔB*;
(d) Bestimmen von Zusatzströmen ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ durch die beiden Teilbereiche, wobei die Zusatzströme ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ so gewählt sind, dass sie ein Zusatzmagnetfeld mit dem Dipolmoment –D* erzeugen;
(e) Berechnen eines zweiten Stromstärkewertes I₂ durch die gesamte Magnetspulenanordnung, bei dem der Zusatzschalter geschlossen werden soll, sowie eines dritten Stromstärkewertes I₃ des nicht mit dem Zusatzschalter kurzschließbaren zweiten Teilbereichs, bei dem der Hauptschalter geschlossen werden soll, derart, dass unter Berücksichtigung der Gegeninduktivität zwischen den beiden Teilbereichen nach dem Erreichen von I₃ im zweiten Teilbereich eine Stromverteilung in den beiden Teilbereichen vorliegt gemäß ΔI⁽¹⁾ = I₂ + ΔI⁽¹⁾ und I⁽²⁾ = I₃ = I₂ + ΔI⁽²⁾ und das theoretisch zu erzielende Magnetfeld B am Ort der NMR-Probe vorliegt;
(f) Fortsetzen des Ladens der Magnetspulenanordnung mit Schließen des Zusatzschalters bei Erreichen von I₂ und Schließen des Hauptschalters bei Erreichen von I₃, wobei I₂ zeitlich vor I₃ erreicht wird.

Bei Korrektur des Kryoshimeinflusses kann das zu erwartende Dipolmoment anhand der bekannten Kryoshimgeometrie und der zu korrigierenden Feldinhomogenitäten – die vorher ausgemessen werden müssen, beispielsweise in Schritt (b) – berechnet werden.

Die zentrale Idee der Erfindung liegt darin, den Hauptmagneten, d.h. die Hauptspule der Magnetspulenanordnung, in mindestens einen ersten und einen zweiten Teilbereich zu unterteilen. Der Hauptmagnet besitzt, wenn er über alle Teilbereiche vom gleichen Strom durchflossen wird, ein unkompensiertes Zusatzdipolmoment, das mit einer unerwünschten Streufeldüberhöhung, beispielsweise am spezifizierten Ort der 5-Gauss-Linie, verbunden ist, z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen. Diese Streufeldüberhöhung wird zunächst experimentell bestimmt (bei einem späteren Laden der selben Magnetspulenanordnung braucht natürlich nicht erneut das Streufeldprofil der unkompensierten Magnetspulenanordnung bestimmt werden). Die beiden Teilbereiche beeinflussen dieses Streufeld in entgegengesetzter Weise. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird am Ende des Ladevorgangs eine nicht verschwindende Stromdifferenz in Höhe von ΔI⁽²⁾ – ΔI⁽¹⁾ zwischen den beiden Teilbereichen eingestellt, die das Magnetstreufeld reduziert und den spezifizierten Streufeldverlauf der Magnetspulenanordnung einstellt. So können die aufgrund von Fertigungstoleranzen auftretenden Streufeldüberhöhungen kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur ein einziges Netzgerät zum Laden der gesamten Magnetspulenanordnung, was die Kosten der Magnetspulenanordnung senkt.

Vorteilhafte Varianten

Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem nach Schritt (f) die Verbindung zwischen dem Netzgerät und der Magnetspulenanordnung getrennt wird. Dadurch, wird das Netzgerät entlastet und die Betriebskosten der Magnetspulenanordnung werden gesenkt.

Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der die Magnetspulenanordnung einen Ergänzungsschalter aufweist, mit dem der zweite Teilbereich, der nicht durch den Zusatzschalter kurzschließbar ist, separat supraleitend kurzschließbar ist. Dadurch kann die Magnetspulenanordnung flexibler beim Ladevorgang gehandhabt werden, etwa durch freie Wahl des zuerst kurzzuschließenden Teilbereichs.

Eine Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante sieht vorteilhaft vor, dass nach Schritt (f) der Ergänzungsschalter geschlossen wird. Dadurch wird der Wärmeeintrag in das Kühlmedium, i.a. in das Helium(=He)-Bad und damit der He-Verbrauch reduziert, da ein Offenhalten eines Schalters üblicherweise mit einem durch einen Heizer bedingten Wärmeeintrag verbunden ist.

Weiterhin bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der gilt |I₁– I₂| ≤ 0,05 |I₂|. Dadurch erfolgt die Messung des Magnetstreufelds B* in einem Stromstärkenbereich und damit Magnetfeldstärkenbereich nahe des endgültigen Betriebszustandes und damit mit hoher Genauigkeit. Das Magnetfeld beeinflussende äußere Störungen (etwa durch ferromagnetische Installationen in der Umgebung) treten mit annähernd der gleichen Stärke bei der Messung auf wie im Betriebszustand.

Ebenso bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der gilt |I₂– I₃| ≤ 0,05|I₂|. Dadurch ist die Stromdifferenz zwischen den Teilbereichen klein gegen den Absolutstrom in einem der Teilbereiche. Dies hilft, die Überlastung eines supraleitenden Drahtes in einem der Teilbereiche zu vermeiden.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Magnetspulenanordnung derart in zwei Teilbereiche unterteilt ist, so dass in den beiden Teilbereichen ein optimaler Dipolmomentenhub d, insbesondere ein maximaler Dipolmomentenhub d, entsteht, wobei Dipolmomentenhub d die Änderung des Dipolmomenis D pro Stromstärkeänderung ΔI bezeichnet gemäß d = ΔD/ΔI. Beispielsweise kann die Magnetspulenanordnung so in zwei Teilbereiche aufgeteilt sein, dass die Summe der Beträge der Dipolmomentenhübe |d⁽¹⁾| + |d⁽²⁾| maximal ist. Eine universell einsetzbare Aufteilung sieht vor, dass gilt d⁽¹⁾≅ – d⁽²⁾. Ist der Betrag des Dipolmomentenhubs d in den beiden Teilbereichen relativ groß, insbesondere indem die Abschirmsektion als der erste Teilbereich der Magnetspulenanordnung gewählt wird, so kann schon mit relativ kleinen Zusatzströmen eine Kompensation des Dipolmoments erfolgen, und der Ladevorgang kann besonders schnell durchgeführt werden, und eine mögliche Stromüberlastung des Supraleiters wird vermieden. Steht nur ein Netzgerät mit geringer Einstellgenauigkeit der Stromstärke zur Verfügung, so kann eine genauere Kompensation des Dipolmoments durch Auswahl von Teilbereichen mit einem niedrigeren Absolutwert des Dipolmomentenhubs erreicht werden.

Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht weiterhin vor, dass sich nach dem Erreichen von I₃ die Zusatzströme ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ in den beiden Teilbereichen um mindestens einen Faktor 5 unterscheiden. In diesem Fall besorgt im Wesentlichen der Teilbereich mit dem betragsmäßig größeren Zusatzstrom die Kompensation, wodurch selbige vereinfacht wird.

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der mittels des Zusatzschalters kurzschließbare erste Teilbereich den nach dem Erreichen von I₃ betragsmäßig kleineren Zusatzstrom aufweist. Das heißt, |ΔI⁽¹⁾| < |ΔI⁽²⁾|. In diesem Fall kann der Netzgerätestrom genauer eingestellt werden.

Alternativ sieht eine Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der zweite Teilbereich den nach dem Erreichen von I₃ betragsmäßig kleineren Zusatzstrom aufweist. Das heißt, |ΔI⁽¹⁾| > |ΔI⁽²⁾|. Im zweiten Teilbereich kann damit eine Stromüberlastung des entsprechenden Supraleiters vermieden werden.

Eine weitere, bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass der Kopplungsgrad K der Teilbereiche kleiner als 0,9 ist, vorzugsweise kleiner als 0,5 ist. Unter Kopplungsgrad wird hierbei der Quotient der Magnetfeldänderungen im betrachteten Streufeldbereich durch die beiden Teilbereiche verstanden, der durch eine (Netz-) Stromänderung in einem Teilbereich (z.B. dem zweiten Teilbereich) hervorgerufen wird, also K = |ΔB⁽¹⁾|/|ΔB⁽²⁾|. Bei einem Kopplungsgrad von 1 würde das Gesamt-Magnetfeld B durch eine Stromänderung in einem der Teilbereiche nicht verändert werden können. Bei einem Kopplungsgrad von null wären die Teilbereiche vollständig entkoppelt. Bei dem erfindungsgemäß geringen Kopplungsgrad kann das Magnetfeld mit geringen Stromänderungen eingestellt werden.

In Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante ist es besonders bevorzugt, wenn die beiden Teilbereiche induktiv entkoppelt sind. Dadurch wird die Kompensation von Dipolmomenten besonders einfach; das Lösen von gekoppelten Differentialgleichungen zur Berücksichtigung der Kopplung bei der Bestimmung der Zusatzströme entfällt.

Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante ist weiterhin vorgesehen, dass bei geschlossenem Zusatzschalter im Betrieb gilt I₂ < I₃. In diesem Fall können für einen kurzgeschlossenen ersten Teilbereich des Magneten mit negativem Dipolmomentenhub d und negativer induktiven Kopplung M mit dem Restmagnet positive Dipolmomente kompensiert werden.

Alternativ kann bei einer Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass bei geschlossenem Zusatzschalter im Betrieb gilt I₂ > I₃. In diesem Fall können nach Erreichen von I₂ und nach Schließen des Zusatzschalters über dem ersten Teilbereich des Magneten mit negativem Dipolmomentenhub d und negativer induktiven Kopplung M mit dem Restmagnet durch Entladen auf I₃ negative Dipolmomente kompensiert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Magnetspulenanordnung neben dem ersten und dem zweiten Teilbereich mindestens einen weiteren, dritten Teilbereich aufweist, der mittels eines weiteren Zusatzschalters separat supraleitend kurzschließbar ist. Der dritte Teilbereich macht die Magnetspulenanordnung flexibler. Der zusätzliche Teilbereich kann beispielsweise zur Steigerung der Genauigkeit der Kompensation der Dipolmomente eingesetzt werden, oder aber zur Kompensation höherer Streufeldordnungen als der Dipolordnung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante sieht vor, dass in Schritt (f) zwischen dem Schließen des Zusatzschalters und dem Schließen des Hauptschalters die Verfahrensschritte (a) bis (f) erneut durchlaufen werden, wobei beim erneuten Durchlaufen der dritte Teilbereich und der weitere Zusatzschalter, mit dem der dritte Teilbereich supraleitend kurzschließbar ist, an die Stelle des ersten Teilbereichs und des Zusatzschalters, mit dem der erste Teilbereich supraleitend kurzschließbar ist, treten. Insbesondere wird nach Einstellung der Stromstärke im ersten Teilbereich das Streufeld neu vermessen. Die Ladung des zweiten und dritten Teilbereichs kann dann erfindungsgemäß analog dem Laden eines ersten und zweiten Teilbereichs einer einfachen, zweibereichigen Magnetspulenanordnung wie oben beschrieben erfolgen. Besonders bevorzugt dominieren in den beiden zusätzlich kurzschließbaren Teilbereiche verschiedene Ordnungen das Streufeld. Dies vereinfacht das Kompensationsverfahren durch Entflechtung der Kompensationsparameter, nämlich der jeweiligen Zusatzströme in den Teilbereichen.

Eine andere Untervariante der obigen Verfahrensvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich eine Grobkompensation und der dritte Teilbereich eine Feinkompensation des Dipolmoments bewirkt. Zwischen dem Schließen der jeweiligen Zusatzschalter findet typischerweise eine Messung des Streufelds statt. Durch die Aufteilung der Kompensation in eine Grob- und Feineinstellung wird die erreichbare gesamte Genauigkeit der Dipolkompensation verbessert.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Zeichnung
1: zeigt eine Magnetspulenanordnung mit Abschirmsektion und Restmagnet nach dem Stand der Technik;
2: zeigt eine Magnetspulenanordnung mit einem ersten und einem zweiten Teilbereich mit Zusatzschalter und Hauptschalter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der erste Teilbereich allein aus der Abschirmsektion besteht;
3: zeigt eine Streufeldlinie konstanten Magnetfeldes (z.B. 5-Gauss-Linie).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Magnetspulenanordnungen, etwa solenoidförmige Spulen, erzeugen außerhalb der Magnetspulenanordnung ein räumlich abklingendes Magnetfeld B, das im Folgenden als Streufeld bezeichnet werden soll. Das Magnetfeld kann durch eine sogenannte Multipolentwicklung dargestellt werden. Für genügend große Abstände vom magnetischen Zentrum wird das Streufeld im Wesentlichen durch den Term zweiter Ordnung, den sogenannten Dipolanteil, beschrieben, wobei dieser Dipolanteil wiederum proportional zum Dipolmoment D der Magnetspulenanordnung ist. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf diesen Term, kann aber prinzipiell auf Terme höherer Ordnung übertragen werden.
Um das Streufeld einer Magnetspule effektiv abzuschirmen wird eine zusätzliche Spule (Abschirmspule) in Serie zu der abzuschirmenden Spule geschaltet. Diese Abschirmspule erzeugt ein zur abzuschirmenden Spule entgegengesetzt orientiertes Magnetfeld. Der wesentliche Vorteil abgeschirmter Magnete besteht in einer besseren Raumausnutzung der Umgebung. Die für streufeldreduzierte Magnete wesentliche Kenngröße ist die sogenannte 5-Gauss-Linie. Magnetfelder größer als 5 Gauss (=0.5·10^–3 Tesla) müssen beispielsweise für den öffentlichen Zugang beschränkt werden, weshalb dieser Größe vor allem bei der Gebäude- und Laborplanung eine große Bedeutung zukommt.
Um das Streufeld möglichst effektiv zu kompensieren, müssen die abzuschirmende Spule und die Abschirmspule näherungsweise entgegengesetzt gleich große Dipolmomente aufweisen. Das Dipolmoment D kann formal zerlegt werden in einen Dipolmomentenhub d und einen Strom I durch die Spulenanordnung: D = d·I. Das Vorzeichen des Dipolmoments ist durch den Wickelsinn gegeben und steckt in der geometrischen Größe „Dipolmomentenhub".
Die 1 zeigt im Querschnitt eine Hälfte einer Magnetspulenanordnung 1, wie sie im Stand der Technik in der NMR-Spektroskopie eingesetzt wird. Die Magnetspulenanordnung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Hauptfeldteil 2 und einem Abschirmteil 3. Der Abschirmteil kann auch mehrere räumlich voneinander getrennte Spulenbereiche umfassen. Der Hauptfeldteil 2 und der Abschirmteil 3 sind im Stand der Technik im Betrieb in Serie geschaltet und mit einem gemeinsamen, supraleitenden Hauptschalter 4 kurzschließbar. Hauptfeldteil 2 und Abschirmteil 3 werden über ein gemeinsames Netzgerät 5 mit einem einheitlichen Strom beladen.
Der Hauptfeldteil 2 mit einer positiv angenommenen Wickelrichtung erzeugt ein positives Dipolmoment, das in genügend großer Entfernung vom magnetischen Zentrum der Magnetspulenanordnung im Wesentlichen das Streufeld des unabgeschirmten Hauptfeldteils 2 bestimmen würde. Um das Streufeld außerhalb der Magnetspulenanordnung zu kompensieren, ist der Abschirmteil 3 so gestaltet, dass er ein entgegengesetzt orientiertes Magnetfeld mit einem etwa gegengleichen Dipolmoment erzeugt: D^{(Hauptfeldteil)} ≅ -D^{(Abschirmteil)}.
Problematisch an der Magnetspulenanordnung 1 und dem Betrieb dieser Magnetspulenanordnung 1 im Stand der Technik sind Fertigungstoleranzen (etwa Dimensionsschwankungen des supraleitenden Drahtes) in der Hauptfeldspule 2 und der Abschirmspule 3. Diese führen zu einem fertigungsbedingten Zusatzdipolmoment D*, das zu einer Verstimmung des optimierten (minimierten) Streufelds führt, beispielsweise herrschen am Ort der 5-Gauss-Linie des idealen Magneten beim realen Magneten Felder > 5 Gauss. Eine sehr einfache Methode, das durch Fertigungsschwankungen bedingte Zusatzdipolmoment während des Ladens mit nur einem Netzgerät zu kompensieren, ohne zusätzliche Spulenanordnungen im Magnetsystem vorzusehen, wird im folgenden Abschnitt beschrieben.
Die erfindungsgemäße Lehre erlaubt es nun, einen sehr einfachen Kompensationsweg zu beschreiten. Die 2 zeigt einen geeigneten Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Magnetspulenanordnung 20 umfasst im Wesentlichen einen ersten Teilbereich 21, der den Abschirmteil der Magnetspulenanordnung umfasst, sowie einen zweiten Teilbereich 22, der den Hauptfeldteil der Magnetspulenanordnung 20 umfasst. (Dies stellt eine mögliche Aufteilung dar. Grundsätzlich sind auch andere Aufteilungen einer Magnetspulenanordnung 20 in Teilbereiche erfindungsgemäß möglich; beispielsweise kann ein erster Teilbereich Hauptfeldteile und Abschirmteile aufweisen.) Erster Teilbereich 21 und zweiter Teilbereich 22 sind in Serie verschaltet und können mittels eines Netzgeräts 5 geladen werden. Mittels eines Hauptschalters 4 ist die gesamte Magnetspulenanordnung 20 supraleitend kurzschließbar. Zusätzlich ist noch der erste Teilbereich 21 mittels eines Zusatzschalters 23 separat supraleitend kurzschließbar.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun, den ersten und den zweiten Teilbereich 21, 22 mit unterschiedlichen Stromstärken I⁽¹⁾, I⁽²⁾ zu beladen. Dies wird durch den Zusatzschalter 23 grundsätzlich ermöglicht. Durch den unterschiedlichen Stromfluss in den beiden Teilbereichen 21, 22 kann ein Dipolmoment erzeugt werden, das jenes, durch die Fertigungsschwankungen bedingtes, Dipolmoment D* gerade kompensiert. Die Zusatzströme ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ in den beiden Teilbereichen müssen so eingestellt werden, dass gilt: ΔI(1)·d(1) + ΔI(2)·d(2) = –D*,wobei die hochgestellten Zahlen die Teilbereiche indizieren.
Die Einstellung der unterschiedlichen Ströme erfolgt im Grundsatz durch Laden der gesamten Magnetspulenanordnung 20 und damit auch des ersten Teilbereichs 21 bis auf einen Strom I₂, Kurzschließen des ersten Teilbereichs 21 mit dem Zusatzschalter 23, und Fortsetzen des Ladevorgangs bis auf einen Strom I₃ im zweiten Teilbereich 22. Das Fortsetzen des Ladevorgangs kann auch in einer Verringerung des Stromflusses bestehen (Entladen).
Aufgrund von typischerweise vorhandenen Kopplungseffekten muss noch das Kopplungsverhalten der beiden Teilbereiche bei der Bestimmung der Ladeströme berücksichtigt werden: Wird bei kurzgeschlossenem ersten Teilbereich 21 der Strom im zweiten Teilbereich 22 erhöht, kommt es im allgemeinen zur Induktion eines Gegenstroms im ersten Teilbereich, d.h. der Strom im kurzgeschlossenen ersten Teilbereich verändert sich. Diese Kopplung kann aber rechnerisch erfasst werden. Auch soll in der Regel ein bestimmtes Magnetfeld B eingestellt werden.
Im Detail verläuft das Ladeverfahren wie folgt:

1. Die Magnetspulenanordnung 20 wird auf einen Strom I₁ gefahren. Das bei dieser Stromstärke erzeugte Magnetfeld B₀*(I₁) ist ungefähr so groß wie das Zielmagnetfeld B, mit einer bevorzugten relativen Abweichung kleiner als 10 %. Dabei sind Hauptschalter 4 und Zusatzschalter 23 geöffnet.
2. Nach dem Erreichen von I₁ wird die Magnetspulenanordnung geparkt, d.h. der Hauptschalter 4 wird geschlossen und das Netzgerät 5 ausgeschaltet. Nunmehr wird das Streufeld B* z.B. beim Radius der theoretischen 5-Gauss-Linie auf Höhe der Magnetmitte (z = 0 cm) gemessen. Aus der Differenz ΔB* zwischen dem theoretisch zu erwartenden und dem tatsächlich gemessenen Magnetfeldwert wird das fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment D* bestimmt. Der Stern indiziert das Ergebnis dieser Messung bei I₁. Die Messung kann beispielsweise mit einer Hall-Sonde erfolgen.
3. Anhand des gemessenen Streufelds B* (bzw. der Streufeldabweichung ΔB*) und des daraus abgeleiteten (fertigungsbedingten) Zusatzdipolmoments D* (bei unkompensiertem Erreichen des Endfeldes B) werden die weiteren Verfahrensparameter bestimmt. In der Beschreibung des Berechnungsverfahrens weiter unten wird davon ausgegangen, dass das so bestimmte Zusatzdipolmoment D* genügend nah am Wert des (unkompensierten) Enddipolmoments liegt und keine Unterscheidung notwendig ist. In der Regel wird mit linear mit der Zeit ansteigender Stromstärke im Netzteil 5 geladen, so dass nun Zeitpunkte bestimmt werden müssen, zu denen Zusatzschalter 23 und Hauptschalter 4 geschlossen werden müssen, um bestimmte Stromstärken in den Teilbereichen 21, 22 einzustellen. Mit dem Schließen des Zusatzschalters 23 wird der Strom im ersten Teilbereich, abgesehen von Induktionseinflüssen, auf den Wert I₂ fixiert. Zum einen muss der Zeitpunkt berechnet werden, ab dem die Magnetspulenanordnung mit kurzgeschlossenem ersten Teilbereich 21 weiter geladen (oder nach Überfahren eines Zielstroms wieder entladen) werden muss, und zwar so, dass bei erreichtem Zielstrom im ersten Teilbereich 21 (hier Abschirmteil) ein Dipolmoment vorliegt, das zusammen mit jenem des zweiten Teilbereichs 22 (hier Hauptfeldteil) das fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment D* gerade kompensiert. Außerdem muss natürlich mit den jeweiligen Strömen in den Teilbereichen 21, 22 das vorgegebene Zielmagnetfeld B erreicht werden. Hier kann es zu zwei verschiedenen Fällen kommen. Für beide Fälle wird angenommen, dass die Kopplungsinduktivität zw. dem Teilbereich 1 (Abschirmteil) und dem Teilbereich 2 (Hauptfeldteil) negativ sei; dies gilt immer, wenn die beiden Teilbereiche nur Spulenbereiche mit entgegengesetztem Wickelsinn enthalten (Teilbereich 1 wäre dann nur mit negativem und Teilbereich 2 nur mit positivem Wickelsinn gewickelt).

Fall 1: das aus der Streufeldmessung bestimmte fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment des Gesamtsystems ist positiv. Wird der erste Teilbereich 21 (hier Abschirmteil) zum richtigen Zeitpunkt kurzgeschlossen und die Magnetspulenanordnung 20 weiter geladen, dann wird in den kurzgeschlossenen ersten Teilbereich 21 ein Zusatzstrom induziert, der dessen negatives Dipolmoment soweit erhöht, dass nach Erreichen des Endfeldes B das fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment, im Zusammenspiel mit dem direkten Einfluss des zweiten Teilbereichs 22 auf das Dipolmoment, eliminiert ist.
Fall 2: das aus der Streufeldmessung bestimmte fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment des Gesamtsystems ist negativ. In diesem Fall muss das Zielfeld B überfahren werden und dann der erste Teilbereich 21 kurzgeschlossen werden. Wird die restliche Magnetspulenanordnung 20 nun entladen, wird in den kurzgeschlossenen ersten Teilbereich 21 ein Zusatzstrom induziert, der das negative Dipolmoment in diesem Teilbereich so weit erniedrigt, dass nach Erreichen des Endfeldes B das fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment, im Zusammenspiel mit dem direkten Einfluss des zweiten Teilbereichs 22 auf das Dipolmoment, eliminiert ist.
Wird bei der Unterteilung der Teilbereiche dem ersten Teilbereich, der aus dem Abschirmteil besteht auch noch ein Bereich des Hauptfeldteils zugeordnet, kann die induktive Kopplung zwischen diesen beiden Teilbereichen auch positiv werden. In diesem Fall müssen die eben beschriebenen Fälle 1 und 2 entsprechend angepasst werden.
In beiden Fällen müssen die Dipolmomentenhübe- und B_o-Feldhübe der beiden Teilbereiche, b_o ⁽¹⁾, d⁽¹⁾, b_o ⁽²⁾, d⁽²⁾ sowie die Eigen- und Gegeninduktivitäten der beiden Teilbereiche in die Berechnung von I₂ und I₃ eingehen. Diese Informationen können aus den Spulengeometrien errechnet werden.

4. Nach dem Erreichen des Endfeldes – was bei Erreichen von I₃ im zweiten Teilbereich eintritt – wird der Hauptschalter 4 über der gesamten Magnetspulenanordnung (d.h. erstem und zweitem Teilbereich) geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt fließen durch den ersten und den zweiten Teilbereich unterschiedliche Ströme, nämlich I⁽¹⁾ = I₂ + ΔI⁽¹⁾ und I⁽²⁾ = I₂ + ΔI⁽²⁾, wobei I₂ der Strom ist, bei dem der Zusatzschalter geschlossen wurde. Der Zusatzstrom ΔI⁽¹⁾ entsteht dabei ausschließlich durch induktive Kopplung mit dem zweiten Teilbereich 22, und der Zusatzstrom ΔI⁽²⁾ kann durch das Netzgerät 5 direkt angesteuert werden.

Im Folgenden soll ein Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Ladeparameter eines erfindungsgemäßen Ladeverfahrens aufgezeigt werden.
Die Magnetspulenanordnung sei in zwei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich nach Erreichen eines Stromes I₂ mit einem Zusatzschalter supraleitend kurzgeschlossen wird. Die Magnetspulenanordnung wird anschließend für die Dauer Δt mit einer Spannung U_o weitergeladen. Die Größen I₂ und Δt müssen nun so bestimmt werden, dass beim Schließen des Hauptschalters (d.h. nach Verstreichen von Δt) sowohl das Sollfeld B (bzw. der Sollstrom I₃) erreicht, als auch die gemessene Streufeldüberhöhung bzw. das fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment eliminiert ist.
Bezeichnungen:

U_o: = Ladespannung nach dem Kurzschließen des ersten Teilbereichs.
L^(1,2): = Eigeninduktivitäten der Teilbereiche 1 und 2.
M: = Kopplungsinduktivität zwischen den beiden Teilbereichen.
d^(1,2): = Dipolmomentenhübe (Dipolmoment pro Ampere) der Teilbereiche 1 und 2.
b₀ ^(1,2): = B_o-Feldhübe (B_o-Feld pro Ampere) der beiden Teilbereiche 1 und 2.
b₀: = B_o-Feldhub für die gesamte, nicht zusätzlich kurzgeschlossene Magnetspulenanordnung:
ΔD: = Zusatzdipolmoment aufgrund der Zusatzströme ΔI⁽¹⁾, ΔI⁽²⁾.
D*: = Im Verfahrensschritt (C) ausgewertetes, fertigungsbedingtes Zusatzdipolmoment.
ΔB_o: = B_o-Zusatzfeld aufgrund der Zusatzströme ΔI⁽¹⁾, ΔI⁽²⁾.

Die zeitlichen Entwicklungen der beiden Teilströme I⁽¹⁾, I⁽²⁾ in den beiden Teilbereichen nach dem Schließen des Zusatzschalters sind durch die gekoppelten Differentialgleichungen gegeben: L(1)·dI(1)/dt + M·dI(2)/dt = 0 M·dI(1)/dt + L(2)·dI(2)/dt = Uo.
Nach einem Zeitintervall Δt nachdem der Zusatzschalter geschlossen wurde, liegen folgende Zusatzströme vor: ΔI(1) (Δt) = –Uo·Δt·M(L(1)·L(2) – M2) ΔI(2) (Δt) = Uo·Δt·L(1)/(L(1)·L(2) – M2).
Die zeitliche Entwicklung des durch die Zusatzströme bedingten Zusatzdipolmoments der gesamten Magnetspulenanordnung lautet: ΔD(Δt) = d(1)·ΔI(1) (Δt) + d(2)·ΔI(2) (Δt) wobei im Falle der Unterteilung in zwei Teilbereiche (mit ausreichender Genauigkeit) gilt: |d(1)| = |d(2)|damit ergibt sich: ΔD(Δt) = d(1)·(ΔI(1) (Δt) – ΔI(2) (Δt))bzw. mit den oben angegebenen Zusatzströmen: ΔD(Δt) = –Δt·d(1)·Uo·(M + L(1))/(L(1)·L(2) – M2).
Folgende Forderung legt das Zeitintervall Δt, für das der Zusatzschalter geschlossen bleiben muss, fest: ΔD(Δt)= –D*.
Das durch die Zusatzströme erzeugte Zusatzdipolmoment kompensiert also gerade das im Verfahrensabschnitt ( C ) anhand des gemessenen Streufelds bestimmte fertigungsbedingte Zusatzdipolmoment. Damit folgt: Δt = (D*/d(1))·(1/Uo)·(L(1)·L(2) – M2)/(M + L(1)).
Neben dem Zeitintervall Δt, das durch die Elimination des fertigungsbedingten Zusatzdipolmoments definiert ist, muss auch noch der Zeitpunkt festgelegt werden, zu dem der Zusatzschalter geschlossen werden muss, so dass nach Ablauf des Intervalls Δt die Magnetspulenanordnung beim Schließen des Hauptschalters ihr Soll-Feld (B_o) besitzt.
Das Magnetfeld B_o,I2 (bzw. der Magnetstrom I₂), bei dem der Zusatzschalter geschlossen werden muss, wird daher durch folgende Forderung definiert: Bo,I2 = Bo – ΔBo,(Δt) = Bo – (bo (1)·ΔI(1) (Δt) + bo (2)·ΔI(2) (Δt)).
Unter Verwendung der Lösungen für die Zusatzströme und dem aus der Forderung nach Elimination des fertigungsbedingten Zusatzdipolmoments abgeleiteten Δt ergibt sich: Bo,I2 = Bo – (D*/d(1))·[bo (2)·L(1)/(M + L(1)) – bo (1)·M/(M + L(1))].Für I₂ gilt dann: I2 = Bo,I2/bo.
Berechnung des fertigungsbedingten Zusatzdipolmoments:

D: = magnetisches Dipolmoment
μ_o: = Vacuumpermeabilität
B_z(P1), B_z(P2): = z-Komponente des Magnetfeldes an den Punkten: P1(R₁=0, Z₁) bzw. P2 (R₂, Z₂=0)

Die in 3 dargestellten Punkte P1 und P2 bezeichnen die Orte, an denen die axialen (P1) und radialen (P2) Streufelder definiert werden (von besonderer Wichtigkeit ist, wie schon erwähnt, die 5-Gauss-Linie). Für die Punkte P1, P2 vereinfacht sich die allgemeine Formel für die z-Komponente des Magnetfelds eines Dipols zu: Bz = 2·μo·D·/(Z1 3·4π) für P1 (R1=0, Z1) Bz = –μo·D·/(R2 3·4π) für P2 (R2, Z2=0)
Ein parallel zur z-Richtung orientierter Dipol besitzt ein positives Dipolmoment und, falls eine Spulenanordnung betrachtet wird, einen positiven Wickelsinn.
Aufgrund von Fertigungsschwankungen kann es zu Abweichungen im optimierten Streufeldverlauf kommen. Der daraus resultierenden Differenz ΔB*_(P2) zwischen dem theoretischen Sollwert und dem tatsächlich gemessenen Feldwert bei P2 (R₂, Z₂=0) kann ein fertigungsbedingtes Zusatzdipolmoment zugeordnet werden: ΔB*(P2) = (Bz*(P2) – Bz Theorie (P2)) D* = –(4π/μo)·R2 3·ΔB*(P2)
Um den Dipolanteil zu bestimmen, sollte die Messung von B_z*_(P2) bei genügend großem Abstand vom magnetischen Zentrum der Magnetspulenanordnung erfolgen, d.h. R₂ muss groß genug gewählt werden.
Berechnung der Dipolmomentenhübe der Magnetspulenanordnung:
Die für das Berechnungsverfahren notwendigen Dipolmomentenhübe der Teilbereiche 1 und 2 ergeben sich aus der Division der entsprechenden Dipolmomente durch den Magnetstrom: d^(1,2) = D^(1,2)/I^Magnet. Die Dipolmomente wiederum können für die Teilbereiche 1 und 2 getrennt mit der folgenden Formel – beispielsweise für Punkt P2 – anhand des Magnetdesigns berechnet werden: D = –(4π/μo)·limR2→∞ (BZ (P2)·R2 3)
Bei der Berechnung muss beachtet werden, dass eine beliebige Magnetspulenanordnung erst im Fernfeld ein dipolartiges Streufeld besitzt. Um mit der Dipolformel rechnen zu können, muss der Wert R₂ genügend groß gewählt werden. Durch Auftragung des Dipolmoments über dem Radius R₂ kann man anhand der Konvergenz des Dipolmoments sehr leicht erkennen, ab welchem Radius das Streufeld ausreichend dipolartig ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer aktiv abgeschirmten Magnetspulenanordnung (20), die einen ersten Teilbereich (21) umfasst, der mittels eines Zusatzschalters (23) supraleitend kurzschließbar ist, und mit einem zweiten Teilbereich (22), wobei die beiden Teilbereiche (21, 22) Dipolmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen-erzeugen. Das magnetische Streufeld B* wird nahe dem angestrebten Betriebszustand der Magnetspulenanordnung (20) vermessen, und für die beiden Teilbereiche (21, 22) werden jeweils Betriebsströme bestimmt, bei denen das Gesamtmagnetfeld B frei von einem durch Fertigungsschwankungen bedingten Zusatzdipolmoment ist, wodurch das theoretisch optimale Streufeld unabhängig von Fertigungsschwankungen eingestellt werden kann. Diese Betriebsströme werden unter Berücksichtigung der induktiven Kopplung der Teilbereiche (21, 22) durch Laden zunächst der gesamten Magnetspulenanordnung (20), und nach Schließen des Zusatzschalters (23) durch Fortsetzung des Ladevorgangs nur im zweiten Teilbereich (22) eingestellt. Dadurch können fertigungsbedingte Abweichungen vom optimalen, theoretischen Streufeld der Magnetspulenanordnung (20) auf einfache und kostengünstige Weise eliminiert werden.

Claims

Verfahren zum Laden einer im Betrieb über einen supraleitenden Hauptschalter (4) supraleitend kurzgeschlossenen aktiv abgeschirmten Magnetspulenanordnung (20), wobei die Magnetspulenanordnung (20) mindestens einen ersten und einen zweiten Teilbereich (21, 22) umfasst, wobei zumindest der erste Teilbereich (21) separat über einen supraleitenden Zusatzschalter (23) supraleitend kurzgeschlossen werden kann, und wobei die beiden Teilbereiche (21, 22) im Betrieb Magnetfelder erzeugen, deren magnetische Dipolmomente D⁽¹⁾ und D⁽²⁾ entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten: (a) Laden der Magnetspulenanordnung (20) bei geöffnetem Hauptschalter (4) und geöffnetem Zusatzschalter (23) mittels eines Netzgerätes (5) auf einen ersten Stromstärkewert I₁; (b) Messen des Streufelds B* an einem vorgegebenen Streufeldpunkt und Berechnung der Streufeldabweichung ΔB* aus theoretischem und gemessenem Magnetfeldwert an diesem Punkt; (c) Berechnen des Zusatzdipolmoments D* zu der in Schritt (b) gemessenen Streufeldabweichung ΔB*; (d) Bestimmen von Zusatzströmen ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ durch die beiden Teilbereiche (21, 22), wobei die Zusatzströme ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ so gewählt sind, dass sie ein Zusatzmagnetfeld mit dem Dipolmoment –D* erzeugen; (e) Berechnen eines zweiten Stromstärkewertes I₂ durch die gesamte Magnetspulenanordnung (20), bei dem der Zusatzschalter (23) geschlossen werden soll, sowie eines dritten Stromstärkewertes I₃ des nicht mit dem Zusatzschalter (23) kurzschließbaren zweiten Teilbereichs (22), bei dem der Hauptschalter (4) geschlossen werden soll, derart, dass unter Berücksichtigung der Gegeninduktivität zwischen den beiden Teilbereichen (21, 22) nach dem Erreichen von I₃ im zweiten Teilbereich (22) eine Stromverteilung in den beiden Teilbereichen (21, 22) vorliegt gemäß I⁽¹⁾ = I₂ + ΔI⁽¹⁾ und I⁽²⁾ = I₃ = I₂ + ΔI⁽²⁾ und das zu erzielende Magnetfeld B vorliegt; (f) Fortsetzen des Ladens der Magnetspulenanordnung (20) mit Schließen des Zusatzschalters (23) bei Erreichen von I₂ und Schließen des Hauptschalters (4) bei Erreichen von I₃, wobei I₂ zeitlich vor I₃ erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der Streufeldpunkt im radialen Abstand der theoretischen 5-Gauss-Linie axial in Höhe des Zentrums der Magnetspulenanordnung gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (f) die Verbindung zwischen dem Netzgerät (5) und der Magnetspulenanordnung (20) getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung (20) einen Ergänzungsschalter aufweist, mit dem der zweite Teilbereich (22), der nicht durch den Zusatzschalter (23) kurzschließbar ist, separat supraleitend kurzschließbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (f) der Ergänzungsschalter geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt |I₁ – I₂| ≤ 0,05 |I₂|.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt |I₂ – I₃| ≤ 0,05 |I₂|.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung (20) derart in zwei Teilbereiche (21, 22) unterteilt ist, so dass in den beiden Teilbereichen (21, 22) ein optimaler Dipolmomentenhub d, insbesondere ein maximaler Dipolmomentenhub d, entsteht, wobei der Dipolmomentenhub d die Änderung des Dipolmoments pro Stromstärkeänderung ΔI bezeichnet: d = ΔD/ΔI.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach dem Erreichen von I₃ die Zusatzströme ΔI⁽¹⁾ und ΔI⁽²⁾ in den beiden Teilbereichen (21, 22) um mindestens einen Faktor 5 unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des Zusatzschalters (23) kurzschließbare erste Teilbereich (21) den nach dem Erreichen von I₃ betragsmäßig kleineren Zusatzstrom aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (22) den nach dem Erreichen von I₃ betragsmäßig kleineren Zusatzstrom aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilbereiche (21, 22) so ausgewählt werden, dass die induktive Kopplung zwischen ihnen negativ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilbereiche (21, 22) so ausgewählt werden, dass die induktive Kopplung zwischen ihnen positiv ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsgrad K der Teilbereiche (21, 22) kleiner als 0,9 ist, vorzugsweise kleiner als 0,5 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilbereiche (21, 22) induktiv entkoppelt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Zusatzschalter (23) im Betrieb gilt I₂ < I₃.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Zusatzschalter (23) im Betrieb gilt I₂ > I₃.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung (20) neben dem ersten und dem zweiten Teilbereich (21, 22) mindestens einen weiteren, dritten Teilbereich aufweist, der mittels eines weiteren Zusatzschalters separat supraleitend kurzschließbar ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (f) zwischen dem Schließen des Zusatzschalters (23) und dem Schließen des Hauptschalters (4) die Verfahrensschritte (a) bis (f) erneut durchlaufen werden, wobei beim erneuten Durchlaufen der dritte Teilbereich und der weitere Zusatzschalter, mit dem der dritte Teilbereich supraleitend kurzschließbar ist, an die Stelle des ersten Teilbereichs (21) und des Zusatzschalters (23), mit dem der erste Teilbereich (21) supraleitend kurzschließbar ist, treten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (21) eine Grobkompensation und der dritte Teilbereich eine Feinkompensation des Dipolmoments D* bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (21) eine Kompensation des Dipolmoments D* und der dritte Teilbereich eine Kompensation höherer Ordnungen des Magnetstreufelds bewirken.